5G如約將至，射頻前端市場(chǎng)將迎來(lái)哪些新挑戰

　　繼第五代移動(dòng)通信技術(shù)標準(5G NR)獨立組網(wǎng)功能凍結后，短短半個(gè)月時(shí)間，國內三大運營(yíng)商、移動(dòng)芯片廠(chǎng)商和手機廠(chǎng)商等各方面均在加快5G商用部署的腳步，為5G手機的到來(lái)打下堅實(shí)基礎。

　　6月14日，5G NR獨立組網(wǎng)功能實(shí)現凍結，加上去年12月完成的非獨立組網(wǎng)NR標準，5G已經(jīng)完成第一階段全功能標準化工作，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)全面沖刺的新階段。5G標準的最終確定，實(shí)現了5G“萬(wàn)里長(cháng)征”的第一步。

　　在上海舉辦的MWCS 2018上，國內三大運營(yíng)商紛紛表態(tài)，為2020年實(shí)現5G正式商用作出詳實(shí)部署。

　　中國移聯(lián)合大唐電信等合作伙伴發(fā)布“5G SA(獨立組網(wǎng))啟航行動(dòng)”，打通全球首個(gè)基于5G獨立組網(wǎng)端到端系統的全息視頻通話(huà)。同時(shí)公布5G商用計劃表，預計2018年底面向行業(yè)客戶(hù)開(kāi)放5G產(chǎn)品測試，明年10月實(shí)現友好用戶(hù)測試，2020年正式商用。

　　中國聯(lián)通副總經(jīng)理邵廣祿宣布，今年將在全國16個(gè)城市開(kāi)展5G規模試點(diǎn)，預計2019年開(kāi)始預商用，2020年正式商用。中國電信發(fā)布《中國電信5G技術(shù)白皮書(shū)》，提出5G“三朵云”目標網(wǎng)絡(luò )架構和“一個(gè)前提、三個(gè)原則”的網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)策略，采用SA組網(wǎng)方案，通過(guò)核心網(wǎng)互操作實(shí)現4G和5G網(wǎng)絡(luò )的協(xié)同，初期主要滿(mǎn)足eMBB(增強移動(dòng)寬帶)場(chǎng)景需求。

　　今年在深圳舉辦的IMT-2020(5G)峰會(huì )上，工信部副部長(cháng)陳肇雄表示，目前5G第一階段的國際標準已經(jīng)制定完成，我國企業(yè)全面參與了5G國際標準制定，新型網(wǎng)絡(luò )架構等多項技術(shù)方案被國際標準組織采納。目前，我國已經(jīng)突破大規模天線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )編碼等關(guān)鍵技術(shù)，各項測試工作將加速進(jìn)行。確保今年底前推出符合第一版本5G國際標準的商用系統設備。

　　5G給我們帶來(lái)什么?

　　提到5G網(wǎng)絡(luò )，與4G時(shí)代不同，將具有更高速率、更低時(shí)延和海量的連接。較4G提升數十倍的速度、低于1ms的低時(shí)延、全球超過(guò)500億臺設備相互連接。以此，也建立了超寬帶移動(dòng)通信(eMBB)、超低延時(shí)通信(uRLLC)、海量物連(mMTC)三大5G應用場(chǎng)景。正是基于這三大場(chǎng)景讓5G時(shí)代催生了更多AR/VR、無(wú)人駕駛和遠程醫療、萬(wàn)物互連等市場(chǎng)的應用。從人與人的交互，轉變成物與物的溝通，實(shí)現電信級的蜂窩物聯(lián)，或將引發(fā)人類(lèi)社會(huì )的一場(chǎng)新變革。

　　圖：5G時(shí)代三大應用場(chǎng)景

　　通信行業(yè)專(zhuān)家指出，射頻在5G手機的設計中尤為關(guān)鍵。4G手機最大的制造成本在屏幕與處理器，但5G手機最大的成本或許會(huì )轉向整套的射頻方案。市場(chǎng)調查機構Navian預測，2020年僅移動(dòng)終端中射頻前端芯片的市場(chǎng)規模將達到212億美元，年復合增長(cháng)率達15.4%。

　　5G時(shí)代將有更多的頻段資源被投入使用，多模多頻使得射頻前端的芯片需求增加，同時(shí)Massive MIMO、波束成形、載波聚合、毫米波等關(guān)鍵技術(shù)也將助長(cháng)射頻前端芯片需求增加這一趨勢，直接推動(dòng)射頻前端芯片市場(chǎng)成長(cháng)。

　　射頻前端的挑戰

　　對于即將到來(lái)的5G通信，射頻前端面臨的挑戰主要表面在以下方面：

　　-更多射頻通路下的布局空間挑戰。

　　- 更多射頻通路下的成本挑戰。

　　- 更高功率輸出、更高工作頻段對射頻器件性能的挑戰。

　　更多射頻通路下的布局空間挑戰。

　　以當前5G通信頻譜使用中，主要分為Sub-6GHz 與6GHz以上頻段兩個(gè)頻譜。Sub-6GHz指的是6GHz以下頻段，6GHz以上指的是26GGHz以上的毫米波頻段。針對于最接近商用的Sub-6GHz頻段，中國使用的頻段為3.3G～5GHz頻段，頻譜高于4G時(shí)代的最高頻段2.7GHz，并且未來(lái)5G可能需要覆蓋的頻段更多。整個(gè)射頻前端需要搭配更多、功率更高的射頻器件以實(shí)現頻率的覆蓋。以Sub-6GHz為例，一部支持3.5GHz和4.9GHz兩個(gè)頻段的5G智能機，其4G/5G射頻功放的通路個(gè)數至少從現在的3路增加至5路。若未來(lái)支持毫米波的話(huà)，還要提升到6路或者更多。這在智能設備尺寸越來(lái)越小的趨勢下，對射頻前端的尺寸提出了非常高的要求。

圖：終端通信模式與支持頻段的演進(jìn)

　　另外，據射頻行業(yè)人士向集微網(wǎng)解釋?zhuān)瑢τ赟ub-GHz以下的射頻器件，還會(huì )采用多進(jìn)多出(MIMO)的技術(shù)方案實(shí)現更高速率的信號傳輸，在MIMO中，不論是發(fā)射還是接收，都需要倍數級的射頻前端器件進(jìn)行支持。以CPE(Customer Premise Equipment，無(wú)線(xiàn)路由器的簡(jiǎn)稱(chēng))為例，其接收和發(fā)射一般為4路及8路，也就代表了其射頻部件以x4，x8的倍數級增長(cháng)。而在毫米波頻段，由于路徑衰減大，通信距離將變短，射頻廠(chǎng)商就無(wú)法做到全向的大功率傳輸。以此，射頻器件將采用波束成形+MIMO的方案滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )需求。波束成型需要將陣列級別的射頻信號進(jìn)行空間波束成型，通路數量一般在8路合成以上，每路至少需要一組射頻前端通路。所以，不論是Sub-6GHz，還是毫米波頻段，都需要倍數級的射頻前端來(lái)進(jìn)行射頻傳輸，這對手機體積方面產(chǎn)生了巨大挑戰。

　　更多射頻通路下的成本挑戰。

　　由于增加射頻通路個(gè)數，需要單獨的硬件進(jìn)行支持。所以射頻前端的成本，與射頻通路的通路數目成正比例關(guān)系。射頻前端本身不斷增加的通路個(gè)數，與不斷降低的連接終端成本之間的價(jià)格矛盾，也對單個(gè)射頻前端通路的成本，提出巨大挑戰。

　　更高功率輸出、更高工作頻段對射頻器件性能的挑戰

　　對于Sub-6GHz頻段，由于5G頻段的頻率更高、衰減多，未來(lái)可能還需射頻套件的輸出功率從原有的23dBm提升至26dBm，以支持更好的空間覆蓋，即功率等級將由 Power Class 3轉換成Power Class 2，這對射頻廠(chǎng)商的設計難度也提出新的挑戰。

　　對于毫米波頻段，歐美傳統射頻廠(chǎng)商一般采取IDM模式，即設計與代工同時(shí)兼顧。Skyworks與Qorvo都擁有自建的GaAs 封裝廠(chǎng)，這在成本控制、技術(shù)演進(jìn)方面可以帶來(lái)優(yōu)勢。但GaAs傳統HBT工藝的特征頻率無(wú)法滿(mǎn)足26G～29GHz及更高頻率的要求，無(wú)法應用于毫米波頻段。在毫米波應用中，歐美傳統射頻廠(chǎng)商在GaAs HBT工藝下線(xiàn)性功率的優(yōu)勢，在5G時(shí)代將不復存在。對于包括Skyworks、Qorvo等在內的傳統射頻廠(chǎng)商，必須進(jìn)行新技術(shù)的開(kāi)發(fā)?！氨M管在GaN、InP工藝升級方面也有嘗試，目前仍無(wú)法找到一個(gè)實(shí)現技術(shù)成熟和經(jīng)濟效益的平衡點(diǎn)?！鄙漕l行業(yè)人士分析道，這對于擁有Foundry廠(chǎng)的傳統射頻廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)挑戰非常大，似乎到了技術(shù)分岔口。

　　圖：頻率及功率應用與工藝選擇的關(guān)系

　　可重構射頻前端，適用于5G演進(jìn)的射頻前端技術(shù)

　　為了解決常規方案射頻前端面臨尺寸、成本、性能多方面壓力，國內一家射頻廠(chǎng)商：慧智微電子，借助RF CMOS及SOI技術(shù)，運用 “軟件可重構”架構進(jìn)行全新的射頻前端設計，滿(mǎn)足未來(lái)4G演進(jìn)及5G對射頻器件小尺寸、低成本、高性能多方面的需求，順應市場(chǎng)及技術(shù)發(fā)展。

　　以4G時(shí)代為例，覆蓋全部頻段，Skyworks及Qorvo等傳統方案至少采取3個(gè)射頻通路完成信號的放大，采用慧智微可重構技術(shù)的4G手機射頻功放芯片，僅需要2路射頻通路就可以滿(mǎn)足所有4G頻段需求。相比Skyworks等競爭對手，至少可以節省一個(gè)射頻通路?！霸?G時(shí)代，傳統歐美廠(chǎng)商需要將射頻套件增加到6路，而慧智微利用可重構技術(shù)期待可將射頻通路個(gè)數保持在2路，甚至1路就能夠滿(mǎn)足對頻段的需求。與傳統方案下需要6個(gè)通路相比，無(wú)論是成本還是芯片尺寸，都會(huì )是非常明顯的減少?！被壑俏EO，國家千人計劃專(zhuān)家李陽(yáng)博士對集微網(wǎng)講到。

　　圖：采用傳統架構(上)與慧智微可重構架構(下)實(shí)現的4G射頻前端方案對比

　　對于毫米波頻段，高通已經(jīng)在毫米波上使用CMOS工藝，這也許成為射頻廠(chǎng)商的一個(gè)新方向，而且，隨著(zhù)工藝節點(diǎn)的下降，CMOS工藝的射頻性能還能夠繼續提升。雖然CMOS在大功率輸出中還不如GaAs等工藝，然而，由于毫米波使用了波束成形技術(shù)，對每一路的要求都下降了一個(gè)數量級，這也使CMOS成為更適用于毫米波應用的工藝技術(shù)。

　　圖：CMOS工藝特征頻率隨時(shí)間的演進(jìn)

　　李陽(yáng)博士表示，在這輪5G射頻前端市場(chǎng)的變革中，慧智微的可重構技術(shù)優(yōu)勢愈加明顯。不僅幫助5G終端解決了因覆蓋更多頻段產(chǎn)生的尺寸和成本增加問(wèn)題，還能實(shí)現性能的進(jìn)一頻提升，并且可以借助CMOS/SOI制造工藝延續帶來(lái)的性能提升，持續進(jìn)行性能、尺寸、成本的演進(jìn)。

　　此外，從支持高數據率、多天線(xiàn)方面，可重構技術(shù)能夠讓射頻器件對未來(lái)5G終端的功率、環(huán)境負載動(dòng)態(tài)調配方面提供靈活的支持。無(wú)論在系統性能、場(chǎng)景優(yōu)化、功耗控制等任何方面，5G的應用場(chǎng)景越復雜，可重構技術(shù)的優(yōu)勢將表現得越加明顯。